Ett mätsystem som mäter värmeledningsförmågan hos bridgmanit i laboratoriet, under de tryck- och temperaturförhållanden som råder inne i jorden, har utvecklats av ett team av forskare.
Studien publicerades i “Earth and Planetary Science Letters Journal”. Utvecklingen av vår jord är historien om dess avkylning: för 4,5 miljarder år sedan rådde extrema temperaturer på ytan av den unga jorden, och den var täckt av ett djupt hav av magma.
Under miljontals år kyldes planetens yta för att bilda en spröd skorpa. Den enorma termiska energin som härrör från jordens inre har dock satt igång dynamiska processer, som mantelkonvektion, plattektonik och vulkanism.
Frågan om hur snabbt jorden svalnade och hur lång tid det kan ta för denna fortsatta kylning att stoppa de tidigare nämnda värmedrivna processerna förblir dock obesvarad. Ett möjligt svar kan ligga i den termiska ledningsförmågan hos de mineral som utgör gränsen mellan jordens kärna och mantel.
Detta gränsskikt är relevant eftersom det är här som den slemmiga bergarten i jordmanteln är i direkt kontakt med den heta järn-nickel-smältningen av planetens yttre kärna. Temperaturgradienten mellan de två skikten är mycket brant, så det finns potentiellt mycket värme som cirkulerar här. Gränsskiktet utgörs huvudsakligen av mineralet bridgemanit.
Forskare har dock problem med att uppskatta hur mycket värme detta mineral leder från jordens kärna till manteln eftersom experimentell verifiering är mycket svår.
Nu har ETH-professor Motohiko Murakami och hans kollegor vid Carnegie Institution for Science utvecklat ett sofistikerat mätsystem som låter dem mäta värmeledningsförmågan hos bridgmanit i laboratoriet under förhållanden med tryck och temperatur. råder inuti jorden.
För mätningarna använde de ett nyutvecklat optiskt absorptionsmätsystem i en diamantenhet uppvärmd med en pulsad laser. “Det här mätsystemet gjorde det möjligt för oss att visa att värmeledningsförmågan för bridgmanit är cirka 1,5 gånger högre än förväntat”, säger ETH-professor Motohiko Murakami. noterade.
Detta tyder på att värmeflödet från kärnan till manteln också är högre än man tidigare trott. Större värmeflöde ökar i sin tur mantelkonvektion och accelererar jordens kylning. Detta kan leda till en snabbare retardation av plattektoniken, som upprätthålls av konvektiva rörelser av manteln, än vad forskarna förväntade sig baserat på tidigare värmeledningsvärden.
Murakami och hans kollegor visade också att snabb kylning av manteln skulle förändra de stabila mineralfaserna vid gränsen mellan kärnan och manteln.
När den svalnar förvandlas bridgmanit till mineralet post-perovskit. Men så snart post-perovskit dyker upp vid gränsen mellan kärna och mantel och börjar dominera, kan mantelkylningen verkligen accelerera ännu mer, resonerade forskarna, eftersom detta mineral leder värme ännu mer effektivt än bridgmanit.
“Våra resultat kan ge oss ett nytt perspektiv på utvecklingen av jordens dynamik. De antyder att jorden, precis som de andra steniga planeterna Merkurius och Mars, svalnar och blir inaktiv mycket snabbare än väntat”, förklarade Murakami. .
Han kunde dock inte säga hur lång tid det till exempel skulle ta för konvektionsströmmar i manteln att sluta. “Vi vet fortfarande inte tillräckligt om den här typen av händelser för att bestämma tidpunkten för dem,” sa han.
För att göra detta måste vi först bättre förstå hur mantelkonvektion fungerar i rumsliga och tidsmässiga termer. Dessutom måste forskare klargöra hur sönderfallet av radioaktiva element inuti jorden – en av de viktigaste värmekällorna – har påverkat mantelns dynamik.
